第4章 地表辐射平衡

第四章地表辐射平衡作为一个开放的系统，地球持续接收太阳能并发射长波辐射。气候系统在一段时间内处于能量平衡状态。第一部分是到达地面的太阳辐射。到达地面的太阳辐射有两部分：首先，太阳以平行光线的形式直接投射在地面上，这被称为直接太阳辐射；一种是散射辐射，散射后从天空投射到地面。两者之和称为总辐射。(1)当没有大气时，到达地面的天文辐射被假定为太阳和地球之间的距离为R，日和地球之间的平均距离为r0。I和I0分别是太阳在R和r0处垂直于阳光的辐射通量密度，I0是太阳常数。因为穿过半径为r0的球体的太阳辐射等于穿过半径为r的球体的辐射通量，所以有：1。直接辐射。(2)影响太阳直接辐射的两个主要因素。太阳直接辐射的强度与许多因素有关，其中两个因素是最重要的。即大的太阳高度角和大气透明度。当太阳高度角不同时，地表单位面积的太阳辐射也不同。这有两个原因：(a)太阳高度角越小，同样数量的太阳辐射所覆盖的面积就越大，因此在表面上每单位面积获得的太阳辐射就越小。那么，就是太阳的高度角。从：然后：D=r/r0是太阳和地球之间的相对距离，是太阳的赤纬：-23.5 23.5，是当前角度。如图所示，太阳高度角越小，太阳辐射穿过的大气层越厚。当太阳高度角最大时，穿过大气层的距离为ao；当太阳的高度角变小，光线向co方向斜射时，穿过大气的距离为co。显然，大气厚度co ao，因此太阳辐射减弱得更多，到达地面的直接辐射更少。当考虑大气的透明度时，p是波长范围内的平均透明度系数，p的值与大气中的湿度和纬度上的大气质量有关。(1)大气透明度系数随着大气湿度的增加而减小。一般来说，冬季湿度小，夏季湿度大，因此冬季的大气透明度系数大于夏季。(2)一般来说，大气透明度系数随纬度的增加而增加；(3)大气透明度系数也随着大气质量数m的变化而变化，m值增大，p值增大。根据以上两种影响，到达地面的太阳辐射可以写成：(3)当=0时，讨论了中午太阳辐射随纬度的变化。(1)当=0时，春分和秋分是赤道最大的太阳辐射，极地最小。在赤道，太阳辐射在春分和秋分达到最大值，在冬季和夏季达到最小值。(2)当=时，太阳辐射在回归线上达到最大值，并以回归线为分界线由南向北递减。如果I是单位时间内的太阳辐射能量，ds是dt时间内的辐射能量，则从地球表面获得的太阳辐射通量密度为：(4)每日太阳辐射总量的计算，dt是时间，并由时间角度取代。每日太阳总辐射量可通过根据从日出-0到日落0的时间对一天进行积分来获得，即(1)在春分点，=0，0=/2，然后：每日太阳总辐射量的分布与纬度的余弦成比例，即，随着赤道处的纬度(2)增加，=0，0=/2，然后：每日太阳总辐射量与太阳赤纬的余弦成比例。在一年的四季中，春分和秋分=0，s日最大，冬至和夏至=23.5，s日最小。(3)在极地地区，=/2，那么：夏季极地地区的太阳总辐射与太阳赤纬的正弦成正比。冬至，夏至，和(4)在永久夜间区域，在永久白天区域，太阳辐射总量随纬度变化，和(a)在夏季半年，太阳辐射总量在集市上变化很小，或，其中：n和s1分别是云量和日照百分比。下列公式可用于计算：其中a和b是通过数据拟合获得的经验系数。(6)有云时日太阳辐射总量的计算，2.当太阳辐射穿过大气时，散射辐射受到大气中气体分子、灰尘、气溶胶、水蒸气等的散射作用，因此部分太阳辐射以扩散的形式从天空的各个角度到达地球表面，这部分辐射量称为散射辐射。当太阳高度角增大时，到达近地面层的直接辐射增加，散射辐射相应增加。相反，当太阳高度角减小时，散射辐射也变弱。当大气透明度不好时，参与散射的粒子数量增加，散射辐射增加。相反，它被削弱了。云也能强烈增加散射辐射。上图显示了在中国重庆晴天和阴天观测到的散射辐射值。从图中可以看出，阴天的散射辐射比晴天大得多。与直接辐射相似，散射辐射的变化主要由太阳高度角的变化决定。一天中中午左右最强，一年中夏天最强。总辐射、到达地表的直接太阳辐射和散射辐射的总和就是总辐射。式中，I0是太阳常数，m是大气光学质量，f是表征大气浊度和表面反射的参数。f=0，是太阳辐射的后向散射率，0是垂直方向的大气光学厚度。(a)晴天总太阳辐射的计算公式：1954年，m . e . berryder通过近似求解太阳辐射透射方程，从理论上获得了晴天总太阳辐射的简单公式。(1)总辐射的计算，(2)云天港总辐射的计算公式：式中，A和B为总辐射的经验系数，a b=1。1994年，翁杜明和高格等人根据北京、拉萨等站晴天总辐射的实测数据提出了另一种形式的f:f=a bln(1e)，a=0.183(p/p0)，b=0.0542 0.0598 (p/P0)，(2)总辐射日变化，日出前地面总辐射收入不多，只有散射辐射；日出后，随着太阳高度的上升，太阳的直接辐射和散射辐射逐渐增加。然而，前者增加得更快，即散射辐射在总辐射中的比例逐渐降低。当太阳高度上升到大约8时，直接辐射和散射辐射相等。当太阳高度为50时，散射辐射值仅为总辐射的10%-20%。到中午，直接和散射的太阳辐射强度都达到最大。中午过后，两人换了相反的顺序。云的影响会破坏这种变化规律。例如，当云量在中午突然增加时，总辐射的最大值可能提前或推迟，因为直接辐射是总辐射的主要组成部分，并且在有云的情况下，直接辐射的衰减大于散射辐射的增强。一年中，总辐射强度(月平均值)夏季最高，冬季最低。(3)世界总辐射的空间分布特征，总辐射值向高纬度方向递减，但在赤道地区由于阴天频率大，总辐射值递减。太阳总辐射的等值线分布基本上具有纬向特征，由于云量分布不均匀，在以下地区被破坏：(1)南北半球中纬度带(加拿大西海岸、北欧、南美西南海岸等地区)，气旋活动强烈；(2)受信风逆温和寒流影响的东部热带海洋区；(3)季风环流活跃区(印度半岛、亚洲东海岸和印度洋西海岸)。(4)中国总辐射的空间分布特征，中国年总辐射的地理分布具有以下特征：(1)年总辐射大多在3768l03-8374l03千焦/m2之间；(2)受季风和地形影响，总辐射等值线不分布在东西向带，东部平原区为3768l03-5442.8l03 kJ/m2，西部干旱区为6280.2l03 kJ/m2以上；(3)青藏高原是中国总辐射量最高的地区，达到6698.9 103-192 103千焦/m2，是中国太阳辐射能量资源最丰富的地区。(4)四川和贵州多雨。年总辐射最小，小于3349千焦/平方米。这是中国太阳辐射能量最少的地区。(5)尽管中国东北和华南的纬度差为25-30，但年总辐射量相差不大，约为5024l03千焦/m2。反射辐射：到达地球表面的总辐射的一部分由于反射而返回天空，这部分被地球表面反射到空间的短波辐射称为表面反射辐射。2.表面反射率：到达表面的太阳辐射与被表面反射的太阳辐射之比。3.影响反射辐射的因素影响反射辐射的主要因素有：1 太阳高度角2 下垫面颜色3 干湿程度4 表面粗糙度。4.云反射率云的反射率取决于云的厚度、形状和太阳高度角，还与云的黑度和下垫面的反射率有关。指向地面的大气辐射部分称为大气逆辐射。2.地面有效辐射：地面辐射(Eg)和地面吸收的大气反辐射(EA)之间的差异称为地面有效辐射。在F0中，F0=eg-ea。正常情况下，地表温度高于大气温度，有效地表辐射为正。这意味着地面经常通过辐射和吸收长波辐射而散热。只有当表层有强烈的逆温层，空气湿度很高时，有效辐射才是负的，然后地面才能通过长波辐射的交换获得热量。影响有效辐射的主要因素是地面温度：气温、空气湿度和云条件。它还与地表的性质有关。光滑表面的有效辐射小于粗糙表面的有效辐射。被植物覆盖时的有效辐射比裸露时小。有效辐射：的日变化与温度的日变化具有相似的特征。白天，由于低层大气垂直温度梯度的增加，有效辐射值也增加，中午12-14时达到最大值。然而，由于夜间地面辐射冷却，有效辐射值也逐渐降低，在早晨达到最小值。当天空中有云时，有效辐射的变化规律就会被破坏。有效冰雹的年变化为：与气温的年变化相似，夏季最高，冬季最低。然而，由于水蒸气和云的影响，最大有效辐射不一定发生在盛夏。秦淮河以南地区的有效辐射在秋季最大，春季最小。华北和东北地区的有效辐射在春季最大，夏季最小，这是由于水汽和云条件的影响。3.表面辐射平衡：在一定时间内，单位面积表面吸收的太阳总辐射与其有效辐射之差就是表面辐射平衡或表面辐射与净表面辐射之差。单位时间内单位面积的辐射平衡R方程可以写成：R=(S D)(1-)-F0，其中S、D和F0分别是直接辐射、散射辐射和有效辐射，是反射率。地面辐射能的平衡取决于地面辐射能的差异。当Rg0，即地面吸收的太阳辐射大于地面的有效辐射时，地面就会有热量积累；当Rg0时，地面会因辐射而失去热量。影响地面辐射差异的因素很多从负值到正值的时间一般为日出后1小时，从正值到负值的时间一般为日落前1-1.5小时。7月，上海日照辐射差的日变化，以及在无云的情况下，地面辐射差各分量的日变化，地面辐射差：的年变化引起了由于太阳高度的年变化、地面反射条件的变化以及每个雨带的季节变化而引起的年变化。在一年中，辐射差异在夏天通常是正的，在冬天是负的。通常，最大值出现在夏季。受雨季影响，地表辐射差的最大值可能出现在雨季前后。最小值在冬天。在不同纬度，地面辐射差异的年变化是不同的。在北纬23.5度之间，地面辐射差的年变化曲线呈双峰型，即一年有两个最大值。在北纬23.5度以北或以南，地面辐射差异的年变化为单峰型。从上图可以看出，赣州代表了我国的南部地区，最大的月地面辐射差值出现在7月。北方地区以北京为例，沙漠地区以敦煌为例。地表辐射的最大月差出现在六月。地面辐射的最小差异发生在12月。地面辐射差年平均总量的空间分布特征(最大、最小和原因):1 地面辐射差随纬度的增加而减小，最高值出现在低纬度，最低值出现在高纬度。从大陆到海洋，等值线沿着海岸是间断的，因为海洋和大陆的反射率有很大的不同，因此等值线是间断的。2 在整个海洋表面和大陆表面上，表面辐射差异的年总和是正的。然而，在格陵兰岛中部和冰雪覆盖稳定的南极大陆，存在负的年总表面辐射差异。(3)大陆表面的最大值出现在潮湿的热带地区，但远小于同一纬度的海洋表面。干旱地区的地表辐射差异比同一纬度的潮湿和过度潮湿地区小得多。受季风气候和地形影响，中国辐射差异为33，360度，台湾西南部最大，其次是青藏高原河谷地区和内蒙古高原东部。低值中心位于四川和贵州潮湿多云的山区，长江流域以南的广大地区。天山地区雪多，也是一个低值区。大气和地空系统的辐射平衡：如果将地面和大气视为一个系统，这个系统的辐射能量收支之间的差异称为地空系统辐射平衡。Rs=(S D)(1-) q0-F其中是行星反射率，qa和F分别是大气吸收的太阳辐射和大气上限的有效辐射。地球大气系统的辐射平衡：对于单个区域，地球大气系统的辐射平衡可以是正的，也可以是负的。然而，对于整个地球大气系统，这种